响应面分析法优选石菖蒲挥发油提取工艺

［收稿日期］ 20120305(019) ［第一作者］ 崔清华，博士研究生，从事中药新药、新剂型研究， Tel:0531-89628597，E-mail:user753951@ 163． com ［通讯作者］ * 田景振，教授，博士生导师，从事中药新药、新剂 型研究，E-mail:tianjingzhen@ 163. com 响应面分析法优选石菖蒲挥发油提取工艺 崔清华，王莹，侯林，魏冬青，黄润芸，田景振* (山东中医药大学药学院，济南 250355) ［摘要］ 目的:优选石菖蒲挥发油的提取工艺。方法:采用水蒸气蒸馏法提取挥发油，以挥发油得率及 β-细辛醚纯度为 指标，HPLC测定 β-细辛醚含量，在单因素试验的基础上，利用响应面分析法优化石菖蒲中挥发油的水蒸汽法提取工艺。结 果:最佳提取工艺条件为加 7. 6 倍量蒸馏水浸泡 2. 7 h，提取 10. 3 h。在此条件下，挥发油得率可达 1. 53%，β-细辛醚纯度 33. 5%。结论:优选的提取工艺稳定可行，可用于石菖蒲挥发油工业化生产。 ［关键词］ 石菖蒲;挥发油;响应面分析法;提取 ［中图分类号］ R283. 6 ［文献标识码］ B ［文章编号］ 1005-9903(2012)15-0062-04 石菖蒲具有开窍豁痰、醒神益智、化痰开胃之功 效。用于治疗神昏癫痫、健忘失眠、耳鸣耳聋、脘痞 不饥、噤口下痢［1］。现代药理研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明其有效成分 为挥发油，包括 β-细辛醚、α-细辛醚等物质［2］。目 前对石菖蒲挥发油的提取已有较多研究，但提取工 艺参数存在较大差异，因此有必要对其提取工艺进 行更加深入的研究。响应面分析法是一种优化工艺 条件的有效方法，可用于确定各因素及其交互作用 在工艺过程中对指标(响应值)的影响，精确地表述 因素和响应值之间的关系。其通常是利用中心组合 试验拟合出一个完整的二次多项式模型，在试验设 计与结果表述方面较正交 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 更加优良［3］。目前 该法用于挥发油提取的研究报道较少。本研究采用 水蒸气蒸馏法提取挥发油，以挥发油得率及挥发油 中主要活性成分 β-细辛醚纯度为指标，在单因素试 验的基础上，利用响应面分析法对石菖蒲挥发油提 取工艺条件进行优化。 1 材料 KDM 型恒温电热套(山东甄城华鲁仪器公 司) ，BS 110S 型分析天平(北京赛多利斯天平公 司) ，挥发油提取器，石菖蒲饮片购自山东省建联中 药店(批号 20100603，产地浙江) ，经山东中医药大 学生药学教研室周凤琴教授鉴定为天南星科多年生 草本植物石菖蒲 Acorus tatarinowii Schott 的干燥根 茎，其余试剂均为分析纯。 2 方法与结果 2. 1 挥发油提取 精密称取石菖蒲饮片 300 g，置 挥发油提取装置中，加入适量蒸馏水，浸泡，加热至 沸，提取数小时。以石油醚萃取油层，水洗至中性。 收集石油醚层，无水硫酸钠脱水。挥去石油醚，即得 橙黄色粗油。 2. 2 挥发油含量测定 按 2. 1 项下所得粗油直接 称重，即得挥发油质量。挥发油得率 =挥发油质量 / 投料量 × 100%。 2. 3 β-细辛醚的含量测定 本研究采用 HPLC 测 定石菖蒲挥发油中 β-细辛醚含量。色谱条件为 Venusil XBP-C18色谱柱(4. 6 mm × 250 mm，5 μm) ， 流动相甲醇-水(60∶ 40，每 1 L 加入磷酸二氢钾 1. 4 g，十二烷基磺酸钠 1. 2 g) ，柱温 30 ℃，流速 1. 0 mL·min －1，检测波长 257 nm。在上述色谱条件下 β- 细辛醚与其他组分能达到基线分离，β-细辛醚在 8. 48 ～67. 84 mg·L －1与峰面积呈良好线性关系(r = 0. 999 9) ，各项方法学考察均符合要求。 2. 4 单因素试验考察 在预试验基础上，确定影响 本工艺的因素主要有提取时间、浸泡时间、加水量， 故分别对其进行考察。 2. 4. 1 提取时间考察 称取石菖蒲饮片 300 g，加 入 8 倍量蒸馏水，浸泡 1 h，按 2. 1 项下方法进行提 取，每隔 1 h读取挥发油测定器上读数，至读数不再 增加，计算得率，并分别测定挥发油中 β-细辛醚含 量，计算其纯度。结果表明，挥发油得率和 β-细辛 醚的纯度变化趋势基本一致，随着反应时间的增加 而增加，但当时间达到一定范围时，提取率增加的趋 势趋于缓和，当反应时间在 9 h 时，挥发油提取率在 1%以上，β-细辛醚的纯度 ＞ 57%。 2. 4. 2 浸泡时间考察 称取石菖蒲饮片 5 份，每份 ·26· 第 18 卷第 15 期 2012 年 8 月 中国实验方剂学杂志 Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae Vol． 18，No． 15 Aug．，2012 300 g，各加入 8 倍量蒸馏水，分别浸泡 0，1，2，3，4，5 h，按 2. 1 项下方法进行提取，计算得率，测定挥发油 中 β-细辛醚的含量，计算其纯度。结果可知，在整 个浸泡时间变化范围内，挥发油得率呈现先增加后 减小的趋势，当浸泡 2 h 时挥发油得率达到最高，β- 细辛醚的纯度随浸泡时间延长，呈现降低趋势。 2. 4. 3 加水量考察 称取石菖蒲饮片 5 份，每份 300 g，分别加入 5，6，7，8，9 倍量蒸馏水，浸泡 1 h， 按 2. 1 项下方法进行提取，计算得率，测定挥发油中 β-细辛醚的含量，计算其纯度。结果表明，加水量对 挥发油得率的影响趋势较明显，当加 7 倍量水时提 取率达到最高;随加水量的增加，β-细辛醚的纯度 逐渐增加。 2. 5 提取工艺优选 根据单因素试验结果，确定以 挥发油得率及 β-细辛醚纯度为指标(权重各占 50%) ，考察加水倍数、浸泡时间、提取时间对石菖 蒲挥发油提取的影响，以二次回归旋转组合设计表 进行试验，采用 SAS 8. 0 软件对试验数据进行回归 分析。由此求出影响因素的一次效应、二次效应及 其交互效应的关联方程，对水蒸汽法提取石菖蒲挥 发油的影响因素进行更为深入的研究和条件优化， 并做出响应面图［4-5］。按 2. 1 项下方法进行操作，计 算挥发油得率及 β-细辛醚纯度，试验因素水平表见 表 1，试验安排及结果见表 2，方差分析见表 3，4。 表 1 石菖蒲挥发油提取工艺中心组合试验因素水平 水平 X1 加水量 /倍 X2 浸泡时间 /h X3 提取时间 /h － 1. 682 4. 318 0. 318 3. 636 － 1 6 1 5 0 7 2 7 1 8 3 9 1. 682 8. 682 3. 682 10. 364 2. 6 响应面试验分析 以挥发油得率及 β-细辛醚 纯度为响应值，根据表 2 结果，采用 SAS 8. 0 软件对 所得数据进行分析，响应面分析结果见图 1 ～ 6。 采用 SAS RSREG程序对响应值与各因素进行 回归拟合后，以挥发油得率为响应值得到回归方程 Y1 = 1. 484 + 0. 045X1 + 0. 073X2 + 0. 072X3 － 0. 026 X21 + 0. 003 75X1X2 + 0. 006 25X1X3 － 0. 030X 2 2 － 0. 008 75X2X3 － 0. 032X 2 3(r = 0. 989 1) ，以 β-细辛醚 纯度为响应值得到回归方程 Y1 = 57. 319 + 1. 794 X1 + 2. 785X2 + 2. 651X3 － 1. 020X 2 1 + 0. 175X1X2 + 0. 275X1X3 － 1. 073X 2 2 － 0. 3X2X3 － 1. 303X 2 3 (r = 0. 978 4) 表 2 石菖蒲挥发油提取工艺二次回归旋转组合设计结构矩阵 No． X1 X3 X2 挥发油得率 /% β-细辛醚 纯度 /% 1 － 1 － 1 － 1 1. 22 47. 4 2 1 － 1 － 1 1. 36 52. 6 3 － 1 1 － 1 1. 38 53. 3 4 1 1 － 1 1. 48 57. 2 5 － 1 － 1 1 1. 29 49. 9 6 1 － 1 1 1. 45 56. 1 7 － 1 1 1 1. 46 56. 4 8 1 1 1 1. 59 61. 5 9 － 1. 682 0 0 1. 32 50. 6 10 1. 682 0 0 1. 48 57. 2 11 0 － 1. 682 0 1. 27 49. 1 12 0 1. 682 0 1. 51 58. 4 13 0 0 － 1. 682 1. 25 48. 4 14 0 0 1. 682 1. 52 57. 8 15 0 0 0 1. 46 56. 4 16 0 0 0 1. 49 57. 6 17 0 0 0 1. 52 58. 3 18 0 0 0 1. 50 58. 1 19 0 0 0 1. 46 56. 5 20 0 0 0 1. 48 57. 2 表 3 挥发油回归分析 方差来源 f SS MS F P X1 1 0. 028 0. 028 62. 545 0. 000 1 X2 1 0. 072 0. 072 161. 116 0. 000 1 X3 1 0. 071 0. 071 158. 036 0. 000 1 X21 1 0. 010 0. 010 22. 228 0. 007 X1X2 1 0. 000 113 0. 000 113 0. 251 X1X3 1 0. 000 312 0. 000 312 0. 696 X22 1 0. 013 0. 013 28. 604 0. 007 X2X3 1 0. 000 612 0. 000 612 1. 365 0. 031 X23 1 0. 014 0. 014 32. 093 0. 002 表 4 β-细辛醚纯度回归分析 方差来源 f SS MS F P X1 1 43. 951 43. 952 67. 526 75 0. 000 1 X2 1 105. 961 105. 961 162. 796 8 0. 000 1 X3 1 96. 002 96. 002 147. 495 6 0. 000 1 X21 1 15. 003 15. 003 23. 049 69 0. 000 7 X1X2 1 0. 245 0. 245 0. 376 414 X1X3 1 0. 605 0. 605 0. 929 512 X22 1 16. 603 16. 603 25. 50813 0. 000 499 X2X3 1 0. 72 0. 72 1. 106 196 X23 1 24. 473 24. 473 37. 600 0. 000 111 ·36· 崔清华，等:响应面分析法优选石菖蒲挥发油提取工艺 图 1 挥发油得率对加水倍数和浸泡时间的响应面 图 2 挥发油得率对加水倍数和提取时间的响应面 图 3 挥发油得率对浸泡时间和提取时间的响应面 回归方程中各变量对指标(响应值)影响的显 著性，由 F检验来判定，P 值越小，则相应变量的显 著程度越高。由表 3 可知，X1，X2，X3，X 2 1，X 2 2，X 2 3 均 图 4 β-细辛醚纯度加水倍数和浸泡时间的响应面 图 5 β-细辛醚纯度加水倍数和提取时间的响应面 图 6 β-细辛醚纯度浸泡时间和提取时间的响应面 为极显著的因素，由表 4 可知，X1，X2，X3，X 2 1，X 2 2，X 2 3 均为极显著的因素。回归方程可较好地描述各因素 与响应值之间的真实关系，可利用该回归方程确定 最佳提取工艺条件。对以挥发油得率为响应值得到 回归方程取一阶偏导数等于零，整理可得到如下 ·46· 第 18 卷第 15 期 2012 年 8 月 中国实验方剂学杂志 Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae Vol． 18，No． 15 Aug．，2012 三式。 0. 045 － 0. 05X1 + 0. 003 75X2 + 0. 006X3 = 0 (1) 0. 073 + 0. 003 75X1 － 0. 059 7X2 － 0. 008 75X3 = 0 (2) 0. 072 + 0. 006 25X1 － 0. 008 75X2 － 0. 063 22X3 = 0 (3) 联立三式，解得 X1 = 0. 954，X2 = 1. 143，X3 = 0. 896，可换算得到加水质量倍数为 7. 632，提取时 间为 10. 287 h，浸泡时间为 2. 688 h。对 β-细辛醚纯 度为响应值得到回归方程取一阶偏导数等于零，整 理可得到如下三式。 1. 793 96 － 2. 040 618X1 + 0. 175X2 + 0. 275X3 = 0 (1) 2. 785 466 + 0. 175X1 － 2. 146 686X2 － 0. 3X3 = 0 (2) 2. 651 334 + 0. 275X1 － 0. 3X2 － 2. 606 306X3 = 0 (3) 联立三式，解得 X1 = 1. 120，X2 = 1. 250，X3 = 0. 991，可换算得到加水质量倍数为 8. 96，提取时间 为 11. 25 h，浸泡时间为 2. 973 h。 考虑到实际操作的便利，确定挥发油提取最佳 工艺条件为加 7. 6 倍量水浸泡 2. 7 h，蒸馏提取 11 h，在此条件下进行提取，由回归方程预测挥发油理 论得率可达 1. 575%。在此优化条件下共进行 3 次 平行验证试验，结果挥发油平均得率 1. 54%，RSD 1. 30%，与理论预测值的相对误差为 2. 48%;β-细 辛醚平均纯度为 59. 8%，RSD 0. 92%。 3 讨论 本研究首先通过单因素试验分别考察提取时 间、浸泡时间、加水量对石菖蒲挥发油中 β-细辛醚 含量的影响，在此基础上，采用响应面分析法建立数 学模型，得到了较优的提取工艺条件，并进行验证试 验，最后得到了石菖蒲挥发油的最佳提取工艺条件 为选用石菖蒲饮片，加水量 7. 6 倍，浸泡 2. 7 h，提取 10. 2 h。在此条件下实际提取率与理论预测值的相 对误差为 2. 47%，说明响应面分析法优化得到的参 数条件准确可靠，具有很好的实际应用价值。另外， 因各参数的精确度都很高，在生产上可以根据实际 情况酌情进行调整。 响应面分析法近年来多用于各种中药及复方的 提取工艺优化研究，但在优选挥发油提取工艺方面 的报道较少。本实验为响应面分析法研究挥发油类 提取工艺提供了参考。 ［参考文献］ ［1］ 中国药典．一部［S］． 2005:85． ［2］ 吴启端，吴清和．石菖蒲的药理研究进展［J］．中药新 药与临床药理，2006，17(6) :477． ［3］ 杨美艳，聂少平，李景恩． 利用响应面分析法优化香 薷中挥发油提取工艺［J］． 食品科学，2008，29 (9) :222． ［4］ 李亚娜，林永成，余志刚． 响应面分析法优化羊栖菜 多糖的提取工艺［J］． 华南理工大学学报:自然科学 版，2004，32(11) :28． ［5］ 魏安池，代红丽，谷文英． 响应面分析法优化红花黄 色素提取工艺条件［J］． 食品与机械，2006，22(2) : 11. ［责任编辑 仝燕］ ·56· 崔清华，等:响应面分析法优选石菖蒲挥发油提取工艺